Grundvattenkontroll vid undermarksanläggningar

Transkript

1 Grundvattenkontroll vid undermarksanläggningar Bosse Olofsson, prof Mark och vattenteknik, KTH Kursinnehåll Vad är ett mätprogram, ett övervakningsprogram och ett kontrollprogram? Hur många mätpunkter behövs och hur ofta måste man mäta Hur går det att skilja naturliga variationer och påverkan från anläggningen SGF 2 Svenska Geotekniska Föreningen 1

2 Anläggningar under grundvattennivån kräver någon form av undersökning och kontroll av grundvatten Effekter av sättningar i Stockholm Birger Jarlsgaten SGF 3 Viktiga frågeställningar Övergripande syfte med undersökningen? I vilket område? Vad ska undersökas? För vem ska undersökningarna göras? Hur ska undersökningarna göras? Hur ofta ska undersökningarna göras? Hur ska undersökningen presenteras? Svenska Geotekniska Föreningen 2

3 Definitioner Mätprogram Övervakningsprogram (Monitoringprogram), Kontroll program Mätprogram - innehåll Vilka mätningar ska utföras Var ska dessa mätningar utföras Vilken mätteknik ska användas Hur ska mätningarna analyseras och presenteras Svenska Geotekniska Föreningen 3

4 Exempel på mätprogram för grundvatten Hallandsås. Beräknad grundvattenavsänkning i jordlagren 2002 Tunneln Ormen i Stockholm, mätpunkter Övervakningsprogram (monitoring) Tidsmäsigt upprepade mätningar Analys av tidsmässiga förändringar EU kräver övervakning för analys av miljösituationen Svenska miljömålen (16) kräver övervakningsprogram Kan göras i alla skalor (internationellt, nationellt, regionalt, lokalt, detaljerat) Svenska Geotekniska Föreningen 4

5 Övervakningsprogram (exempel) Temperaturförändringar Nederbördsförändringar Bergsspänningar Grundvattennivåer vid tunnelbyggande Inläckage i tunnlar Flödesmätningar i vattendrag... Övervakningsprogram. Generella övervakningsprogram (klimatförändringar) Långtidsövervakning vid specifika object (t.ex vid deponier och vattenförsörjning) Tillfälliga övervakningsprogram vid specifika object, t.ex. byggnadsarbeten Mycket tillfälliga övervakningsprogram vid specifika händelser, t.ex. olyckor Svenska Geotekniska Föreningen 5

6 Exempel på nationella och regionala databaser för övervakningsprogram Vattendata från Vattenmyndigheten (VISS) Klimatdata vid SMHI Grundvattennätet vid (SGU) Terrängdata från Lantmäteriet Brunnsarkivet (SGU) Stockholms kommun.. Kontrollprogram OBS skilj mellan Mätprogram och Kontrollprogram Mätprogrammet är en liten men viktig del av kontrollprogrammet Svenska Geotekniska Föreningen 6

7 Innehållet i ett kontrollprogram Klara mål Mätinstruktioner Hantering av mätdata Analysverktyg Presentationsverktyg Jämförelse med gränsvärden (limits etc) Åtgärder om gränsvärden överskrids Kontroll av resultatet av åtgärderna Kontrollprogram krävs oftast vid stora infrastrukturprojekt Exempel på innehåll Kontroll av grundvattennivåer Kontroll av grundvattenkemi Kontroll av vibrationer, stomljud mm Kontroll av sättningar... Svenska Geotekniska Föreningen 7

8 Exempel Citybanan, Stockholm Mätstationer Antal och lokalisering av observationsrör BEROR AV Syftet med undersökningsprogrammet Storlek och form på undermarksanläggningen Värdet av det som ska skyddas Behov av noggrannhet i bestämningen Heterogeniteten och anisotropin i geologi och hydrauliska egenskaper En god regel är att utgå från en bra geologisk och hydraulisk modell över området SGF 16 Svenska Geotekniska Föreningen 8

9 Sprickzoner och jordmäktighet vid Citybanan Begreppen heterogenitet och anisotropi Svenska Geotekniska Föreningen 9

10 Sand Mycket viktigt att ta hänsyn till markens egenskaper (hydraulisk konduktivitet, heterogenitet, anisotropi). Våra beräkningsmetoder utgår oftast från isotropa och homogena förhållanden. Verkligheten är dock anisotrop och heterogen, vilket bör märkas i våra bedömningar. Morän Infiltrationen Berg i berg är måttlig till liten Hur ska man lokalisera undersökningsrören? Föroreningskälla Svenska Geotekniska Föreningen 10

11 Exempel på såväl hög heterogenitet som hög anisotropi Svenska Geotekniska Föreningen 11

12 Vad representerar en grundvattennivå? En grundvattennivå är i regel inte en yta utan representerar en trycknivå i just den punkten, dvs där atmosfärstrycket och vattentrycket är lika SGF 23 Grundvattennivåer beror på de geologiska förhållandena Berg Sand och grus (mättad/omättad) Svallsand (mättad/omättad) Lera öppna akviferer Morän slutna akviferer Svallsand Sand and gravel Lera Morän Berg Svenska Geotekniska Föreningen 12

13 Grundvattenflöde Således osäkert att rita isokurvor över grundvattnets strömning bara utifrån nivåmätningar. Måste kopplas samman med geologisk modell 37 m 36 m 35 m Mätpunktssystem piezometer grupp piezometer transekt piezometer nätverk Grupp Transekt Nätverk Svenska Geotekniska Föreningen 13

14 Interpolationsmetoder Linear triangular Kapacitet l/h Kapacitet i Borrade brunnar, Uppland Kriging Nearest neighbor Berg Sand och grus Sand och silt Sprickzon Lera Morän Svenska Geotekniska Föreningen 14

15 Exempel på dubbla akviferer i Stockholm Fyllning Övre grundvattennivå Undre grundvattennivå Lera Morän Berg Stockholms fastighetskontor Mätutrustning Plopper Elektrisk mätlina Tryckgivare Svenska Geotekniska Föreningen 15

16 Hur ofta ska mätningar göras? Beror på: syftet med mätningarna de naturliga fluktuationerna teknik För att kunna analysera säsongsmässiga variationer krävs vanligtvis mätning var 14e dag 20 Analys av grundvattennivåer Bogesundslandet m.a.s.l SGF 32 Svenska Geotekniska Föreningen 16

17 Antropogena effekter på grundvattennivåerna Undermarkskonstruktioner (tunnlar, bergrum, schakter) Gruvor och stenbrott VA-anordningar Hårdgöring av ytor Uttag och infiltration av grundvatten Upphettning och avkylning Hur kan man skilja antropogena effekter från naturlig variation? Beräkning av grundvatten-påverkan Analytiska lösningar Numeriska metoder Sårbarhetsanalyser Svenska Geotekniska Föreningen 17

18 1 Difference (m) Mätdata : Har detta rör påverkats? 1.3 m avsänkning Difference (m) Mätdata 3.5 m : avsänkninghar detta rör påverkats? Ackumulerad nederbörd (2 veckor) Mätprogrammen är ofta * Icke ekvivalenta * Icke stationära * För korta mätserier * Andra problem m.a.s.l. m.a.s.l. Byggande av tunnel Bol122.gwl Bol538.gwl Bol122.gwl Bol18.gwl *Grw-levels* *Grw-levels* *Grw-levels* Svenska Geotekniska Föreningen 18

19 Metoder för analys av grundvattennivådata Tidserieanalys Stegvis regression (SLRA) Modifierad double mass och invers modellering (MDM) Processbaserad modellering Tidserieanalys kräver långa tidsserier och ekvivalenta data Value A =Original curve B = Trend Time C = Periodical part D = Stochastic part SGF 38 Svenska Geotekniska Föreningen 19

20 Metodik för beräkning av avsänkning MDM och SLRA kräver referensgrundvattenserier (t ex SGUs mätserier eller lokala opåverkade serier) Metodik för beräkning av avsänkningrullande medel r2 värden Automatisk beräkning av r2 värden och avvikelser (m) från naturliga grundvattennivåer genom stegvis regressionsanalys Stepwise regression method 1 v sk (a0 b0 xi ) (ak bk xi ) n i 1 k=m,m+1,m+2,..n sk=drawdown for the k:th value after construction Regressionslinje före a0,b0 =coeff. for the best fitted regr.line prior to construction respektive efter tunnelbygget ak,bk =coeff. for the k:th regr.line after construction N=total number of values NAC=number of measurements after construction v=number om measurements in the regr.analyses M=N NAC+v Xi=1,2,..v=values of the groundwater level at a reference site Svenska Geotekniska Föreningen 20

21 Modifierad double mass dx j = x j / x dy j = y j / y xi ( dxj 1) i = 1,2,..., n i j 1 Groundwater Control Programme This programme is used for control of groundwater levels. It is built for constructional companies as well as for systematical municipal planning of groundwater levels. Author: Bo Olofsson, Royal Institute of Technology (KTH) Div of Land and Water Resources. tel fax boolof@l.kth.se Calculations were carried out with DOUBLE MASS and STEPWISE LINEAR REGRESSION within the GCP Programme ( Olofsson) Svenska Geotekniska Föreningen 21

22 Exempel Stockholm m.a.s.l Alarm i augusti 1995 Difference (m) Lägsta accepterade grundvattennivå 3 I verkligheten, avsänkning redan i oktober Exempel på grundvattennivåmätningar vid ett mycket känsligt objekt avsaknad av kontroll Svenska Geotekniska Föreningen 22

23 Sammanfattning av kursen Skilj mellan mätprogram och kontrollprogram (kontrollprogram ska innehålla analys och åtgärder) Hydrogeologisk heterogenitet och anisotropi måste beaktas vid val av mätpunkter (ska baseras på god hydrogeologisk modell) En grundvattennivåmätning är oftast lokal och unik (varierar över tid och rum) Grundvattenpåverkan från anläggningen kan ofta beräknas (skiljas från naturliga fluktuationer med någon dm noggrannhet) Viktigt att följa grundvattennivåutvecklingen kontinuerligt (om man väntar tills effekter uppstått kan det vara för sent) SGF 45 Svenska Geotekniska Föreningen 23